一种高输出电压的压电陶瓷驱动电源的研究

内容摘要：摘要:压电陶瓷驱动电源是压电陶瓷微位移器应用中的关键部件。PA85A是一种高压、高精度的MOSFET

摘要:压电陶瓷驱动电源是压电陶瓷微位移器应用中的关键部件。PA85A是一种高压、高精度的MOSFET运算放大器。本文提出了一种基于PA85A的单端供电的新型压电陶瓷驱动电源,介绍了该电源设计原理并对其性能进行了分析和测试。该电源具有集成度高,响应速度快,驱动力强,稳定性好,输出电压高达(396.8V)的特性,能有效用于光纤光栅传感系统中。

关键词:压电陶瓷单端供电驱动电源

中图分类号:T721文献标识码:A文章编号:1674-098X(2011)04(c)-0002-01

压电陶瓷具有体积小、分辨率高、响应快、推力大等一系列优点,用它制成的压电驱动器广泛应用于微位移输出装置、力发生装置、微型机器人、光学扫描器等领域。压电陶瓷的使用要有好的相应驱动电源,因此,压电陶瓷的驱动电源技术已成为当前的研究热点[1]。

1 驱动电源组成

从原理上讲,主要有电压驱动型和电荷驱动型两种。其中电压控制型驱动电源主要有基于直流变换器原理的开关式驱动电源和直流放大式电源两种形式,一种是基于直流变换原理开关式驱动电源,这种方法的功率损耗小、效率高、体积小,但高频干扰较大,电源输出纹波较大,频响范围较窄。另一种是直流放大式驱动电源。这种电源输出纹波小,频响范围较宽,目前高压运放技术日趋完善。本文电源采用直流放大式电路。微处理器通过数模转换器(DAC) 产生波形信号,经运算放大电路和由PA85A组成的功率放大电路实现信号的放大。

驱动电源具体要求为:

(1)输出电压0～396.8V连续可调。

(2)频率为0～1kHz。

(3)分辨率<10mV。

(4)根据最高频率和最大电压波动范围计算所需的转换速率S.R=1.9V/μs。

2 驱动电源的设计与实现

2.1 PA85A简介

PA85A是APEX公司生产的一种高压、大带宽的MOSFET运算放大器,最大输出电流达到200 mA,具有很高的电源电压抑制比。而且,PA85A运算放大器集运算放大电路,功率放大电路,保护电路于一体,使电路集成度大大提高,减小了体积,提高了电路的可靠性。

2.2 线性放大电路设计与分析

线性放大电路的设计是驱动电源设计的关键。由于压电陶瓷位移与其两端电压基本上呈线性关系的原理,可以通过控制压电陶瓷两端电压来控制其位移。本文设计的驱动模块的核心放大电路采用双级放大结构。其中,前置低压误差放大器OP07以获得较小输入偏置电压与较高带宽;后置单端供电的高压功率放大器PA85A以获得大输出功率及高耐压特性。通过两个放大环节的串联,使整个放大系统的整体带宽与放大倍数可调解。核心放大电路原理图如图1所示。

D1、D2和D3、D4是快速恢复二极管,将运放输入端的电压限制在0.7V,对运放的输入端起保护作用。R5是限流电阻,使PA85A工作在安全范围内,容性负载可以等效为0.1μF的电容C8。

2.2.1 放大倍数的分配

复合放大器的输入电压为0～6.4V,输出电压为0～396.8V,由此确定复合放大器的放大倍数为62。增益过大会影响运放的稳定性,在该电源中选定PA85A的闭环放大倍数为31,OP07的闭环放大倍数为2,OP07与PA85A串联,二者共同提供的放大倍数为62。根据放大倍数的分配确定:

R1=100k, R2=100k,R3=6k,R4=180k。

2.2.2 输入失调电压的补偿

在OP07和PA85A组成基本放大电路中,为了减小输入失调电压,由放大器OP07用来控制精度和温漂,由OP07的手册可知,其值为75V左右,在整个放大电路的值为:75μV×62=4.65 mV<10mV,满足对电路输入特性的要求。

2.2.3 放大电路相位补偿

集成运放的相位补偿可通过补偿引线端,输入端和输出引线端外接RC补偿元件,构成相位补偿网络,实现相位补偿。电路中PA85A一级的闭环放大倍数为31,根据APEX公司提供的PA85A的数据资,如图2所示,

这个增益与20较接近,由此确定选择相位补偿电阻值和电容值分别为

=330 =10pF

3 驱动电源的实验结果

输出电压范围／V:0～396.8